高可性嵌入式CPII系统的产业化解决方案

一、引言
  
     以标准的计算机技术为核心的嵌入式系统，由于可以与各种各样的复杂的设备有机地结合在一起，非常灵活地实现各种监测、控制和管理功能，已经成为工业控制领域广为接受并得到大力发展的产品和技术方案。随着工业控制系统对功能、性能和可靠性要求的不断提高，高可靠性嵌入式系统作为新一代工业控制系统的核心技术和产品，正在被越来越多的客户和供应商所关注，新技术、新产品、新方案层出不穷。
  
     由PICMG（PCI Industrial Computer ManuFacturesGroup）制订并大力倡导的Compact PCI（CPCI）技术，由于沿袭了PCI成熟的、高性价比的、广泛而容易获取的软硬件资源，并吸纳和发展了VME的高可靠性的系统结构，从面世的那天开始，就成为新一代高可靠性系统的首选设计方案，在高性能计算机／服务器、工业控制与自动化系统、网络与通信设备以及航空航天和军事应用领域都得到广泛的应用。
  
     最近几年，随着国外着名计算机系统公司基于CPC的产品和方案的推广以及PICMG／PRC对CPCI技术的宣传，我国的工业控制领域，特别是中高端的应用，正在越来越多地把CPCI应用于高性能嵌入式系统之中。
  
     由于高可靠性嵌入式CPCI系统具有许多与众不同的特点和要求，因此从设计到生产到应用服务都需要更为专业化的技术工艺和工程经验，本文从技术、产品和服务几个方面探讨适合市场需要和产业发展的解决方案。
  
     二、嵌入式系统的发展
  
     在信息化的今天，计算机已经不再是仅仅完成计算功能的设备，它已经成为无所不能、无处不在、与人类生活密切相关的东西。小到各种家用电器和通信终端的控制电路，大到航空航天飞机和工业自动化系统的控制中心，它们都是嵌入式的计算机系统。
  
     嵌入式的计算机系统，根据它们所控制设备的特点，会采用各种各样的设计方法。从简单的单片机、单板机到复杂的多CPU、多总线冗余结构，都有可能成为嵌入式系统的实现方案。
  
     无论是简单的嵌入式系统还是复杂的嵌入式系统，随着微电于技术和计算机软硬件技术的发展，每一阶段都有不同于已往的产品实现方式。CPU从4位、8位、16位、32位发展到64位，存储器从几百字节发展到几百兆字节，通信接口的速度从几百bPS发展到几十GbPS，接口的数目也变得更多。这些都使嵌入式系统的性能得到了极大的提高，功能日益丰富。同时，高可靠性和高可用性在嵌入式系统的发展历程中正在占据越来越重要的地位，成为设计和应用的首要考虑因素，并且也已经成为竞争对手之间互相较量的重点。
  
     三、高可靠性嵌入式系统的特殊需求
  
     高可靠性嵌入式系统的特殊需求，概括地用一句话来表示就是确保系统性能的可靠实现。主要表现在如下几个方面：
     （1） 足够强的数据处理能力
     （2） 足够高的数据传输速度
     （3） 足够多的外部连接接口
     （4） 安全而高效的系统管理机制
     （5） 标准而可靠的系统连接方式
     （6） 易于维护的系统结构
     （7） 良好的开放性和可扩展性
     （8） 抗恶劣环境
     （9） 冗错性强
  
     高可靠性嵌入式系统，一般都选用先进的高性能的处理器，在可能的情况下，尽可能采用比较高的系统工作频率和总线宽度，根据系统应用要求可以配置足够多的可以由用户自由定义的I／O接口，从而，使系统具有比较高的性能。一个或多个系统管理设备以及安全而高效的软硬件管理体制可以保证高可靠性嵌入式系统性能的充分发挥和利用；在物理特征上，高可靠性嵌入式系统采用的是标准而可靠的系统连接方式，采用模块化结构设计和冗错性设计，支持热拔插、热切换，以尽可能地缩短系统的不可用时间。同时，高可靠性嵌入式系统相对于一般的系统具有更强的抗恶劣环境工作能力，对高温、高湿、震动、辐射；和腐蚀，都有良好的防护措施。
  
     四、CPCI的技术特点与系统解决方案
  
     ICPCI定义了33MHZ／32bit－66MHZ／64bit的总线结构，信号传输速度高达528Mbyte/s。适应当今市场上各种主流的高性能处理器。一段CPCI总线可以连接一个系统设备和7个外围设备，如果需要，可以通过桥接电路进行扩展。每一次扩展都可以增加7个外围设备。如果需要，通过CPCI总线可以十分方便地实现外围设备的备份甚至系统设备的备份。同时，CPCI系统针对传统电信领域的应用扩展了CTBUS，针对网络通信领域的应用扩展了PSB BUS，使它可以非常方便地与这两个领域的设备结合在一起，实现嵌入式的应用。CPCI系统支持冗余的电源供应方式，可以实现1＋1，N＋l，N＋N多种电源冗余结构。系统板卡及外部设备板卡采用统一的3U或6U标准欧式板卡结构，各种板卡之间通过专用的背板进行可靠的互连，而且支持带电热拔插。当进行系统扩充和维护时，可以通过直接增加或更换板卡十分方便地完成，大大减少了系统维护时间，提高了系统的可用性。板卡与背板之间选用高性能的2MM HARD METRIC连接器进行连接，在3U的板卡上定义了2个连接器，在6L的板卡上定义了5个连接器，引脚数量多达535个，除了被标准的CPCI信号使用之外，还有足够多的引脚进行专门用途的扩展或者由使用者自己定义。
  
     CPCI连接器采用针孔式连接方式，不仅比PCI的边沿式连接方式密度更高、连接更可靠，而且更容易实现热拔插、EMC防护等功能，更容易适应振动、灰尘、高湿度、腐蚀性气体等恶劣环境。这种标准的板卡结构，不仅连接可靠，方便维护，而且还可以通过背板连接器的向后延长的引脚实现背后的I／O扩展，这对许多嵌入式系统十分重要。CPCI系统采用了标准的19机箱结构，可以很容易地装入任何标准的19机架，与其他相关设备有机地结合在一起。每个CPCI机箱都有相对独立的电源供应和通风冷却系统，并且有专用的系统监控模块对系统工作状态进行管理和监控。
  
     CPCI机箱一般采用优质铝型材，相对其他材料不仅保证了更精密的机械配合，而且在单位重量、导热性、EMC防护等方面更有优势，特别适合于嵌入式系统的特殊应用需求。CPCI机箱的导轨、面板以及插卡把手的设计都对热拔插和FMC防护给予了充分的考虑。
  

图1 典型的CPCI系统结构

图2 3U CPCI板卡及背板结构
图3 CPCI背板连接器热拔插结构及 REAR…结构示图     CPCI作为新一代工业计算机的技术标准，经过近10年的发展和遍布全球的PICMG成员的共同努力，已经成为当代高可靠性嵌入式系统的首选的解决方案。
  
     五、相关产品及应用
  
     一项好的技术，它的成功与否，不仅仅取决于它的设计思想是否先进、是否完美，而是往往取决于它是否有良好的实现手段。
  
     CPCI技术也不例外。从它的提出到现在已经经历了近十年的时间，但真正被广泛采纳和应用也仅仅是最近的几年。主要原因就是，与其相关的产品基础直到最近几年才基本建立完善。
  
     除了基于传统PCI的软硬件内核之外，全新结构的CPCI板卡、CPCI连接器、CPCI背板、CPCI电源、CPCI机箱及其附件，等等，这一系列的产品集成在一起才构成完整的高可靠性嵌入式CPCI系统。
  
     各种CPCI板卡是CPCI系统的核心产品，许多世界着名的公司如MOTOROLA、INTEL早就有成熟的产品供应，中国大陆和台湾地区的许多着名的IPC供应商如研华、凌华、研祥等也相继推出自己的产品。
  
     CPCI背板是CPCI系统中最为关键的部件，直接关系到系统性能的可靠实现。它不仅要求完全符合标准，而且还要求兼容性强，确保来自不同供应商的符合PICMG规范的板卡都能稳定地运行在同一个系统中。它具有3U或6U的高度，2－21个插槽，可以方便地安装在任何标准的欧式插箱。为了保证高密度的布线要求和精确的阻抗匹配，CPCI背板的PCB一般都在10层以上。CPCI背板的设计要求具备非常高的专业化技术和丰富的工程经验，许多参数都要使用专用的EDA工具进行反复的模拟和仿真。CPCI背板的生产装配大多采用先进的压接工艺，需要非常特殊的设备和工装模具。由于CPCI背板实现的是高密度、高可靠性的电气连接和非常精密的机械连接，所以，出厂前都必须经过全面而严格的电学测试和光学测试，必要时还必须进行各种恶劣环境的模拟测试。
  
     CPCI背板的使用环境大多是高性能计算机／服务器、工业控制与自动化系统、网络与通信设备以及航空航天和军事应用领域，因此，要求应用和服务人员必须具有非常强的相关领域的专业知识和系统知识。
  
     CPCI背板、CPCI机箱、CPCI电源、CPCI风扇模块以及CPCI系统监控模块有机组合在一起，就构成了CPCI系统的基础硬件平台。在此硬件平台的基础上，系统设备厂商可以非常方便、快速地进行专有产品的设计，可以以相对低廉的成本提供高性能的系统产品。
  
     以上产品基础的建立和相关设计、生产和应用服务的技术保证为高可靠性的嵌入式系统的发展提供了必要而充分的条件。
  

图4 CPCI背板及CPCI机箱     六、结论
  
     综合以上论述，不难看出，高可靠性嵌入式系统的特殊应用需求决定了CPCI技术及相关产品必然成为它的首选方案。它的发展必须建立在完善的产品基础之上。专业化的设计、专业化的生产和专业化的应用服务是高可靠性嵌入式CPCI系统产业化的必由之路。